王　昊，高　江

（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)，廣東 湛江，524022）

故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在魚雷PHM模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王昊，高江

（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)，廣東 湛江，524022）

結(jié)合現(xiàn)役大型武器系統(tǒng)保障特點(diǎn)和故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)及其成功應(yīng)用范例，介紹了故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)（PHM）的核心理論、關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)復(fù)雜性。從分析視情維修（CBM）開放體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想與應(yīng)用方法入手，設(shè)計(jì)了魚雷的PHM模型，分析了各模塊職責(zé)與功能，并完善了該模型的體系架構(gòu)，為實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論參考。

魚雷； 故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)； 視情維修

0　引言

伴隨著武器技術(shù)日益革新，魚雷型號(hào)越來越多，魚雷武器裝備維護(hù)保養(yǎng)壓力越來越重。但是，我國(guó)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)大型武器系統(tǒng)，包括魚雷武器系統(tǒng)的維護(hù)仍然以定期維護(hù)和試后維修為主，采用“多、勤、細(xì)”的方式來保障系統(tǒng)可靠性及正常任務(wù)的完成［1］，這種方式不僅耗費(fèi)資源，而且效率低下，無法滿足現(xiàn)代高科技條件下的武器裝備系統(tǒng)要求，特別是裝備的可靠性、維修性等重要性能的要求。國(guó)內(nèi)外早已嘗試一種新的管理維護(hù)理念，即故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)（PHM）?，F(xiàn)針對(duì)魚雷裝備實(shí)際，探索該技術(shù)在魚雷武器裝備上的運(yùn)用。

1　故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)

故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術(shù)最先是由美國(guó)軍方提出并發(fā)展起來的一門技術(shù)。這門技術(shù)借助故障預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)，識(shí)別和管理故障發(fā)生、規(guī)劃維修和決策保障，以此降低相關(guān)維護(hù)費(fèi)用。PHM技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在美軍F-35聯(lián)合攻擊機(jī)研制中［2］，國(guó)內(nèi)在潛射導(dǎo)彈發(fā)射裝置方面也融入了PHM技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的可行性在嘗試與實(shí)踐中得到了有效驗(yàn)證。

1） PHM技術(shù)核心理論

PHM技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其核心是利用先進(jìn)傳感器的集成，借助各種算法（如快速傅里葉變換、離散傅里葉變化）和智能模型（如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）來預(yù)測(cè)、監(jiān)控和管理武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

2） PHM的關(guān)鍵技術(shù)

PHM技術(shù)是融入多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的復(fù)雜綜合性技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)采集與信息融合技術(shù)、故障預(yù)測(cè)和預(yù)決策技術(shù)等。

2　PHM系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)原理

由美國(guó)海軍出資組建的工業(yè)研究小組進(jìn)行研究和驗(yàn)證的視情維修開放體系結(jié)構(gòu)（open system architecture for CBM，OSA-CBM）集中體現(xiàn)了PHM的設(shè)計(jì)思想與應(yīng)用方法，其體系結(jié)構(gòu)見圖1［3］。

由PHM體系結(jié)構(gòu)圖可知，整個(gè)體系采用對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸，經(jīng)過“數(shù)據(jù)處理”、“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”、“狀態(tài)評(píng)估”等步驟后對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)做出一個(gè)綜合性評(píng)估結(jié)論，與“數(shù)據(jù)庫(kù)”中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析對(duì)系統(tǒng)的現(xiàn)在及未來一段時(shí)間狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)并對(duì)需要解決的問題提出解決方案。最后通過人機(jī)接口完成全體系與輸出端的信息互通，以及完成體系內(nèi)的信息反饋。

3　魚雷PHM模型

不同于實(shí)時(shí)運(yùn)行的裝備平臺(tái)，魚雷裝備使用特點(diǎn)為長(zhǎng)時(shí)間處于貯存狀態(tài)，在演習(xí)或者實(shí)戰(zhàn)中才進(jìn)行使用，因此，其故障診斷和健康管理評(píng)估主要依靠歷史數(shù)據(jù)、離散狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)以及在此基礎(chǔ)上建立的故障模型，如圖2所示。

魚雷裝備的PHM模型設(shè)計(jì)思路參考了美海軍OSA-CBM設(shè)計(jì)思想，結(jié)合魚雷實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保留單線進(jìn)行“數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)處理—狀態(tài)監(jiān)測(cè)……人機(jī)接口”基礎(chǔ)上采用雙線交換，實(shí)時(shí)將各階段數(shù)據(jù)匯入交流通道，供“系統(tǒng)管理模塊”進(jìn)行分析處理，方便及時(shí)處置因系統(tǒng)體系自身帶來的處理問題。

圖2　魚雷裝備的PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig. 2　Structure diagram of PHM system for a torpedo

系統(tǒng)體系依靠大量傳感器或其他途徑收集該型裝備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、發(fā)射數(shù)據(jù)、裝載技術(shù)狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)和裝備備品備件數(shù)據(jù)，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，變成系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，將處理后的數(shù)據(jù)先后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估模塊、診斷分析模塊和分析決策模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、特征量提取并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化［4］。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后在狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估模塊中進(jìn)行征兆識(shí)別，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。評(píng)估后的相關(guān)結(jié)論在診斷分析模塊中同時(shí)進(jìn)行故障診斷和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。出現(xiàn)故障結(jié)論后，分析決策模塊進(jìn)行決策應(yīng)對(duì)，得出解決問題方案。人機(jī)接口主要方便檢測(cè)人員和維修人員的信息錄入和讀取，同時(shí)建立與裝備保障信息化平臺(tái)的信息交流、共享。

4　模型模塊功能設(shè)計(jì)

結(jié)合魚雷實(shí)際使用特點(diǎn)，保障分為多種級(jí)別，以下相關(guān)處理主要根據(jù) XX級(jí)轉(zhuǎn)為XX級(jí)相關(guān)技術(shù)要求，滿足實(shí)戰(zhàn)需求。

1） 數(shù)據(jù)采集模塊

齊全的數(shù)據(jù)采集手段是實(shí)施PHM的前提條件［5］，該裝備在全壽命周期內(nèi)的狀態(tài)信息是多層次、多方面和動(dòng)態(tài)的，既包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，也包含定期檢測(cè)信息，同時(shí)還有其功能組件在研制、生產(chǎn)過程中的歷史數(shù)據(jù)，充分利用這些數(shù)據(jù)，才能為實(shí)施PHM提供充足可靠的數(shù)據(jù)。針對(duì)魚雷特點(diǎn)，面對(duì)海量數(shù)據(jù)，合理篩選數(shù)據(jù)類型，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集渠道尤為重要。針對(duì)魚雷數(shù)據(jù)采集模塊，采集方式設(shè)計(jì)為人工采集與傳感器采集2種，數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)采集Table 1　Data acquisition

XX1箱相關(guān)參數(shù)，包括XX1箱溫度、XX1箱濕度、XX1箱氣壓值； AX段XX部件電壓起伏狀態(tài)主要檢測(cè)XX調(diào)試時(shí)XX部件XX V電壓與XX V電壓變化趨勢(shì)，根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間不統(tǒng)一。

2） 數(shù)據(jù)處理模塊

由數(shù)據(jù)采集模塊獲得的裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，通常是不同的特征和格式，需要經(jīng)過處理，達(dá)到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，滿足系統(tǒng)要求。針對(duì)該型裝備，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)設(shè)計(jì)分別提取處理輸入數(shù)值。

3） 狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估模塊

利用不同采集方式及經(jīng)過處理過后的數(shù)據(jù)，可以較為全面的掌握全雷狀態(tài)信息。其狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，主要依據(jù)人工設(shè)定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及歷史相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行，如表2所示。

4） 診斷分析模塊

表2　狀態(tài)檢測(cè)Table 2　State detection

診斷分析模塊得到狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估模塊結(jié)果后，可以調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)模塊數(shù)據(jù)，參照相關(guān)參數(shù)故障將歷史出現(xiàn)的所有情況按概率高低依次羅列并形成診斷報(bào)告。此外統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間某條某型魚雷采集數(shù)據(jù)分析結(jié)果，考慮利用各種預(yù)測(cè)方法對(duì)某一方面特性，包括XX部件元器件電流導(dǎo)通性、XX1箱密封性等進(jìn)行預(yù)測(cè)。

5）分析決策模塊

針對(duì)某型魚雷的狀態(tài)診斷與未來狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果，分析決策模塊出具綜合性保障維護(hù)報(bào)告，直接指導(dǎo)人員對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行排查處理。

6）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)著智囊的作用，由各種類型的子數(shù)據(jù)庫(kù)組成，包括歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、故障信息庫(kù)、維修知識(shí)庫(kù)和算法模型庫(kù)。子數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容可以再進(jìn)行劃分，包括裝備數(shù)據(jù)項(xiàng)、火工品數(shù)據(jù)項(xiàng)、檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)項(xiàng)、保障設(shè)備數(shù)據(jù)項(xiàng)和備品配件數(shù)據(jù)項(xiàng)等［6］。表3為某型魚雷檢測(cè)設(shè)備建檔數(shù)據(jù)項(xiàng)。

7） 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)行整個(gè)健康管理系統(tǒng)的模塊升級(jí)、系統(tǒng)維護(hù)更新等操作。

8） 人機(jī)接口

故障物理模型是進(jìn)行裝備故障預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)，需要根據(jù)歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷修正與完善，提高模型的精確性，此部分操作可能需要人機(jī)交互操作。

表3　檢測(cè)設(shè)備建檔數(shù)據(jù)項(xiàng)Table 3　Archiving data item of detection device

5　結(jié)束語

從國(guó)內(nèi)裝備現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，借鑒國(guó)外PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，討論適合我國(guó)裝備保障發(fā)展的故障預(yù)測(cè)與健康管理模型，為未來復(fù)雜化信息化作戰(zhàn)條件下的裝備保障提供相應(yīng)參考。目前，關(guān)于故障預(yù)測(cè)與健康管理的一些設(shè)計(jì)理念尚不成熟，還有待完善，日后應(yīng)著力進(jìn)行這方面的研究。

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（責(zé)任編輯: 許妍）

Application of Prognostics and Health Management Technology to Design of Torpedo PHM Model

WANG Hao，GAO Jiang
（91388thUnit，The People′s Liberation Army of China，Zhangjiang 524022，China）

Taking the successful application of the prognostics and health management （PHM） technology for example and considering the maintenance features of large weapon systems in service，the key theory and techniques，as well as the complexity of PHM technology，are discussed. And a torpedo PHM model is designed by analyzing the design idea and application approach of the condition based maintenance （CBM） opening system frame. The duty and function of each module in the model are analyzed，and the model′s structure is improved.

torpedo； prognostics and health management（PHM）； condition based repair（CBM）

TJ630.7

A

1673-1948（2015）02-0157-04

2014-11-06；

2015-01-31.

王昊（1988-），男，助理工程師，主要從事魚雷技術(shù)方面的研究.